CN114635181B - 单晶炉的水冷热屏结构、单晶炉及单晶硅的生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及单晶硅制造技术领域，尤其涉及一种单晶炉的水冷热屏结构、单晶炉及单晶硅的生长方法。所述单晶炉的水冷热屏结构包括：单晶炉炉盖；在所述单晶炉炉盖上方的喉口处设置有充气法兰；所述充气法兰设置有气体进口；与所述炉盖滑动配合的环状水冷热屏；设置在所述环状水冷热屏内部的盘旋状气管；气体进入所述充气法兰，经过所述盘旋状气管吹向所述单晶炉内的熔体液面。本发明在炉盖上方喉口法兰处增加一条气路，气路沿盘旋状气管环绕在环状水冷热屏内部，气体流出后以环流形式吹向液面。此设计增大了换热面积的同时引入气体换热，提升结晶潜热的带走速率，从而提升单晶生长速率。

Description

单晶炉的水冷热屏结构、单晶炉及单晶硅的生长方法
技术领域
本发明涉及单晶硅制造技术领域，尤其涉及一种单晶炉的水冷热屏结构、单晶炉及单晶硅的生长方法。
背景技术
单晶炉在国内装机量爆发式增长，硅片产能提升迅速，降本增效作为目前的主旋律，等径拉速的提升是主要的降本方案之一。在单晶硅棒生长过程中，随着晶体不断生长，结晶潜热散失速率明显降低，导致晶体生长时晶格排列出现滑移、攀移运动并导致位错的增殖，位错的增殖使原子间距产生变化，部分晶格中原子间作用力变大导致原子间的键发生断裂，从而在宏观上体现为断苞，晶线消失。
目前，主要采用水冷热屏用来带走晶体生长过程中的结晶潜热，通过改变水冷热屏表面结构，增加散热面积，加速晶体生长过程中的热交换，从而提升等径拉速，但这种方式对拉速的提升幅度很小。而在水冷热屏已经推广使用的情况下，改变热屏结构、水流量、水温对晶体的生长速度已无明显提升，在现有条件下晶体生长速度已经达到瓶颈。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种单晶炉的水冷热屏结构、单晶炉及单晶硅的生长方法，采用本发明的单晶炉的水冷热屏结构可以有效提升晶体的生长速率。
本发明提供了一种单晶炉的水冷热屏结构，包括：
单晶炉炉盖；在所述单晶炉炉盖上方的喉口处设置有充气法兰；所述充气法兰设置有气体进口；
与所述炉盖滑动配合的环状水冷热屏；
设置在所述环状水冷热屏内部的盘旋状气管；
气体进入所述充气法兰，经过所述盘旋状气管吹向所述单晶炉内的熔体液面。
优选的，所述盘旋状气管的气体出口位于所述环状水冷热屏内部的屏体直壁段。
优选的，所述盘旋状气管与所述环状水冷热屏的内壁存在间隙。
优选的，所述盘旋状气管为管式换热器。
本发明还提供了一种单晶炉，包括上文所述的水冷热屏结构。
本发明还提供了一种利用单晶炉进行单晶硅生长的方法，包括以下步骤：
A)将晶硅原料置于单晶炉的石英坩埚内，在真空的条件下进行熔化；
所述单晶炉包括上文所述的水冷热屏结构；
B)进行单晶硅的生长，在所述生长的过程中，通过启动环状水冷热屏的进水进行水冷却，通过向所述充气法兰通入气体，气体进入所述充气法兰，经过盘旋状气管吹向所述单晶炉内的熔体液面，进行气体冷却。
优选的，步骤B)中，在单晶硅的生长过程中，晶体进入环状水冷热屏的屏体直壁段时，向所述充气法兰通入气体。
优选的，步骤B)中，向所述充气法兰通入的气体为氩气。
优选的，步骤B)中，向所述充气法兰通入气体的气体流量控制在5～20slpm。
本发明提供了一种单晶炉的水冷热屏结构，包括：单晶炉炉盖；在所述单晶炉炉盖上方的喉口处设置有充气法兰；所述充气法兰设置有气体进口；与所述炉盖滑动配合的环状水冷热屏；设置在所述环状水冷热屏内部的盘旋状气管；气体进入所述充气法兰，经过所述盘旋状气管吹向所述单晶炉内的熔体液面。本发明在炉盖上方喉口法兰处增加一条气路，气路沿盘旋状气管环绕在环状水冷热屏内部，尾端位于屏体直壁处，气体流出后以环流形式吹向液面，通过炉压波动控制气体流量，从而保证炉压的平衡状态。此设计增大了换热面积的同时引入气体换热，提升结晶潜热的带走速率，从而提升单晶生长速率。
附图说明
图1为本发明的一个实施例提供的单晶炉的水冷热屏结构示意图；
图2为本发明的一个实施例提供的充气法兰的剖面图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种单晶炉的水冷热屏结构，包括：
单晶炉炉盖；在所述单晶炉炉盖上方的喉口处设置有充气法兰；所述充气法兰设置有气体进口；
与所述炉盖滑动配合的环状水冷热屏；
设置在所述环状水冷热屏内部的盘旋状气管；
气体进入所述充气法兰，经过所述盘旋状气管吹向所述单晶炉内的熔体液面。
图1为本发明的一个实施例提供的单晶炉的水冷热屏结构示意图。其中，1为充气法兰，2为单晶炉炉盖，3为盘旋状气管，4为环状水冷热屏。
本发明提供的单晶炉的水冷热屏结构包括单晶炉炉盖2。在所述单晶炉炉盖上方的喉口处设置有充气法兰1；所述充气法兰设置有气体进口。
在本发明的某些实施例中，所述单晶炉炉盖为不锈钢水冷焊接件。
图2为本发明的一个实施例提供的充气法兰的剖面图。其中，1为充气法兰，1-1为气体进口。
在本发明的某些实施例中，所述充气法兰为不锈钢水冷焊接件。
本发明提供的单晶炉的水冷热屏结构还包括与所述炉盖滑动配合的环状水冷热屏4。所述环状水冷热屏设置有进水口和出水口，包括外屏和内屏，外屏和内屏上下两端密封配合形成内腔，内腔内设置有导流板，本发明对所述导流板的结构和设置方法并无特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的结构和设置方法即可。本发明对所述环状水冷热屏的结构并无特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的水冷热屏的结构即可。所述环状水冷热屏的进水口和出水口均连接有连接管，且所述连接管与所述炉盖滑动配合。在本发明的某些实施例中，所述外屏、内屏和连接管之间焊接连接。
本发明提供的单晶炉的水冷热屏结构还包括设置在所述环状水冷热屏内部的盘旋状气管3。本发明中，气体进入所述充气法兰，经过所述盘旋状气管吹向所述单晶炉内的熔体液面。从所述盘旋状气管出来的气体以环流形式吹向所述单晶炉内的熔体液面。
在本发明的某些实施例中，所述盘旋状气管的气体出口位于所述环状水冷热屏内部的屏体直壁段。
在本发明的某些实施例中，所述盘旋状气管与所述环状水冷热屏的内壁为非紧密接触，存在间隙。
在本发明的某些实施例中，所述盘旋状气管为管式换热器。在本发明的某些实施例中，所述管式换热器为不锈钢水冷焊接件。
本发明还提供了一种单晶炉，包括上文所述的水冷热屏结构和炉体。本发明对所述单晶炉的炉体结构并无特殊的结构，采用本领域技术人员熟知的炉体结构即可。在本发明的某些实施例中，所述单晶炉的炉体为不锈钢水冷焊接件。
本发明还提供了一种利用单晶炉进行单晶硅生长的方法，包括以下步骤：
A)将晶硅原料置于单晶炉的石英坩埚内，在真空的条件下进行熔化；
所述单晶炉包括上文所述的水冷热屏结构；
B)进行单晶硅的生长，在所述生长的过程中，通过启动环状水冷热屏的进水进行水冷却，通过向所述充气法兰通入气体，气体进入所述充气法兰，经过盘旋状气管吹向所述单晶炉内的熔体液面，进行气体冷却。
本发明先将晶硅原料置于单晶炉的石英坩埚内，在真空的条件下进行熔化；所述单晶炉包括上文所述的水冷热屏结构。
在本发明的某些实施例中，所述晶硅原料为多晶硅。
在本发明的某些实施例中，所述真空的真空度为≤30mtorr。在某些实施例中，所述真空的真空度为28mtorr。
本发明对所述熔化的温度并无特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的熔化温度熔化即可。
熔化完成后，进行单晶硅的生长，在所述生长的过程中，通过启动环状水冷热屏的进水进行水冷却，通过向所述充气法兰通入气体，气体进入所述充气法兰，经过盘旋状气管吹向所述单晶炉内的熔体液面，进行气体冷却。
在本发明的某些实施例中，所述环状水冷热屏的进水温度为25～28℃。在某些实施例中，所述环状水冷热屏的进水温度为26℃。
在本发明的某些实施例中，在单晶硅的生长过程中，晶体进入环状水冷热屏的屏体直壁段时，向所述充气法兰通入气体。随着等径长度的增加，结晶潜热的散失阻力逐渐增大，向充气法兰通入气体，气体进入盘旋状气管，可以增加该区域的热交换，加快结晶潜热的散失，提升晶体生长速率。
在本发明的某些实施例中，向所述充气法兰通入的气体为氩气。
在本发明的某些实施例中，向所述充气法兰通入气体的气体流量控制在5～20slpm。本发明中，通入气体的气体流量不宜过大，流量过大会形成局部湍流，造成热场温度波动性大。
本发明在炉盖上方喉口法兰处增加一条气路，气路沿盘旋状气管环绕在环状水冷热屏内部，尾端位于屏体直壁处，气体流出后以环流形式吹向液面，通过炉压波动控制气体流量，从而保证炉压的平衡状态。此设计增大了换热面积的同时引入气体换热，提升结晶潜热的带走速率，从而提升单晶生长速率。
本发明采用气、液双介质散热，可更快速的将晶体生长过程中的结晶潜热带走，结晶潜热释放后可以提升晶体的生长速率，晶体生长速率的提升可以使单位小时的产出得到大大提升，提升产能的同时可降低各类辅材的成本。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种单晶炉的水冷热屏结构、单晶炉及单晶硅的生长方法进行详细描述，但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。
以下实施例中所用的试剂均为市售。
实施例1
利用单晶炉进行单晶硅生长的方法，包括以下步骤：
1)将多晶硅置于单晶炉的石英坩埚内，在真空(真空度为28mtorr)的条件下进行熔化；
所述单晶炉为图1所述的水冷热屏结构；
2)熔化完成后，进行单晶硅的生长，在所述晶体生长的过程中，通过启动环状水冷热屏的进水(进水温度为26℃)进行水冷却，晶体进入环状水冷热屏的屏体直壁段时，向所述充气法兰通入氩气，氩气进入所述充气法兰，经过盘旋状气管吹向所述单晶炉内的熔体液面，进行气体冷却；
所述氩气的气体流量控制在5～20slpm；
单晶硅生长的过程中，实时监测单晶硅的生长速率，可以看出，单晶硅的实时生长速率达到120mm/h时，得到的晶体无断苞、扭曲现象。显然，采用本实施例的技术方案可以及时释放晶体的结晶潜热，得到的晶体无断苞、扭曲现象。
对比例1
将图1中的充气法兰替换为不能充气的法兰，撤去盘旋状气管，得到的单晶炉进行单晶硅生长的方法，包括以下步骤：
1)将多晶硅置于单晶炉的石英坩埚内，在真空(真空度为28mtorr)的条件下进行熔化；
2)熔化完成后，进行单晶硅的生长，在所述生长的过程中，通过启动环状水冷热屏的进水(进水温度为26℃)进行水冷却；
单晶硅生长的过程中，实时监测单晶硅的生长速率，可以看出，单晶硅的实时生长速率达到110mm/h时，得到的晶体无断苞、扭曲现象，实时生长速率继续升高，晶体开始出现断苞、扭曲现象。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种单晶炉的水冷热屏结构，其特征在于，包括：
单晶炉炉盖；在所述单晶炉炉盖上方的喉口处设置有充气法兰；所述充气法兰设置有气体进口；
与所述炉盖滑动配合的环状水冷热屏；
设置在所述环状水冷热屏内部的盘旋状气管；所述盘旋状气管的气体出口位于所述环状水冷热屏内部的屏体直壁段；所述盘旋状气管与所述环状水冷热屏的内壁存在间隙；
气体进入所述充气法兰，经过所述盘旋状气管吹向所述单晶炉内的熔体液面。
2.根据权利要求1所述的水冷热屏结构，其特征在于，所述盘旋状气管为管式换热器。
3.一种单晶炉，包括权利要求1～2任意一项所述的水冷热屏结构。
4.一种利用单晶炉进行单晶硅生长的方法，包括以下步骤：
A)将晶硅原料置于单晶炉的石英坩埚内，在真空的条件下进行熔化；
所述单晶炉包括权利要求1～2任意一项所述的水冷热屏结构；
B)进行单晶硅的生长，在所述生长的过程中，通过启动环状水冷热屏的进水进行水冷却，通过向所述充气法兰通入气体，气体进入所述充气法兰，经过盘旋状气管吹向所述单晶炉内的熔体液面，进行气体冷却。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤B)中，在单晶硅的生长过程中，晶体进入环状水冷热屏的屏体直壁段时，向所述充气法兰通入气体。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤B)中，向所述充气法兰通入的气体为氩气。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤B)中，向所述充气法兰通入气体的气体流量控制在5～20slpm。
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